永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真研究

韓錫敏

（青島天一集團紅旗電機有限公司,山東 青島 266400）

永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真研究

韓錫敏

（青島天一集團紅旗電機有限公司,山東 青島 266400）

永磁同步電機是近幾年應(yīng)用越來越廣泛的一種電機，同普通的同步電機相比，永磁同步電機結(jié)構(gòu)更為簡單，它由于功率因數(shù)高，因而效率高，提高了電機運行的可靠性，省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，又無需勵磁電流，因此，降低了加工和裝配費用，既節(jié)約了能源又保護了環(huán)境，極大程度的滿足了生產(chǎn)的需求，是一種最具前途的節(jié)能電機。

永磁同步電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；仿真

1 引言

雖然，我國研究永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制，這項技術(shù)的起步時間晚，和其它先進國家存在一定的差距，但是永磁體制作所需的稀土資源我國含量很豐富，特別是稀土永磁材料釹鐵硼資源在我國非常豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右， 這給永磁同步電機的制造和發(fā)展提供了一個良好的環(huán)境，因此，在永磁同步電動機領(lǐng)域我國還是具有一定優(yōu)勢的，本文在介紹電機的發(fā)展基礎(chǔ)上，分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的現(xiàn)狀以及仿真結(jié)果顯示，直接轉(zhuǎn)矩控制的方式是永磁同步電機中性能最高的一種控制方式。

2 電機的發(fā)展

電機的發(fā)展歷程中，依照供電方式的不同，可以分為直流電機和交流電機。

（1）直流電機。在20世紀(jì)末期晶閘管技術(shù)還不太成熟，無法實現(xiàn)高精度的交流電機調(diào)速時，由于直流電機不需要其它設(shè)備的配合，只要改變輸入或勵磁電壓電流就可以實現(xiàn)平穩(wěn)的調(diào)速，所以，當(dāng)時應(yīng)用最廣泛的還是直流電機。但是直流電機調(diào)速控制最大的難度在于實現(xiàn)電機調(diào)速的平穩(wěn)控制也就是控制轉(zhuǎn)矩。

（2）交流電機。隨著大功率晶閘管和計算機控制理論的的相繼問世，交流電機調(diào)速逐漸成為人們研究的對象。

因為原理的區(qū)別，交流電機有同步電機和異步電機兩種。

一種是同步電機。同步電機可以分為永磁同步和電勵磁同步電機。由于旋轉(zhuǎn)速度與其電源的頻率呈現(xiàn)相對應(yīng)關(guān)系，運行時保持恒定轉(zhuǎn)速，所以，在一些低速高功率的設(shè)備里常常會用到同步電機，它能夠在不受負(fù)載的影響下，通過人為調(diào)節(jié)勵磁來改變功率因數(shù)，甚至可以讓功率因數(shù)超前，同步電機的這一原理，可以吸收或補償電網(wǎng)中的無功功率，保持電網(wǎng)功率因數(shù)相對平衡、穩(wěn)定。一種是異步電機。憑借轉(zhuǎn)子與定子的運行速度不同，異步電機從空載直接到滿載電機也幾乎不受轉(zhuǎn)速的影響。

3 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的現(xiàn)狀

1970以后，我國的永磁體被大量開發(fā)和利用，相應(yīng)的永磁材料也得到了發(fā)展，對永磁同步電機的發(fā)展起了很大的推進作用。通過深入的研究發(fā)現(xiàn)，永磁電機在節(jié)約能源，降低成本，有很快的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)，干擾能力強，負(fù)載載影響小，做法簡單，能通過對變頻器的調(diào)節(jié)控制電源頻率，進而控制電機轉(zhuǎn)速，使對應(yīng)的功率因數(shù)得到提高。目前我國現(xiàn)使用的電機多為高能耗的能效3級，如4極11Kw3級能效僅為效率僅為89.8%，而永磁同步電機效率達到93.6%、且功率因數(shù)高。定子繞組呈阻性負(fù)載，其功率因數(shù)接近，利用這些特征，永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)運用在調(diào)速系統(tǒng)和新能源技術(shù)中，如電動汽車、電氣列車、地鐵、輕軌等交通工具的驅(qū)動系統(tǒng)和工業(yè)伺服系統(tǒng)中所占比例越來越大。由此可見，我國永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的使用已經(jīng)日益成熟。

4 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩的控制性能

（1）永磁同步電機矢量控制 。上世紀(jì)七十年代的德國通過將交流電機等效成直流電機，再經(jīng)相應(yīng)的反變換控制實現(xiàn)對交流電機的控制。依照后者的方法，對定子電流進行分解，最終實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。這就是當(dāng)時最具代表性的矢量控制理論。該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)零速全負(fù)載，擁有相當(dāng)高的精度和快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)了高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而，在實際的操作上對轉(zhuǎn)子磁鏈進行直接控制非常困難，電機的基本參數(shù)對它造成很大的影響，所以，實現(xiàn)矢量旋轉(zhuǎn)變換控制十分的復(fù)雜，想要真正大規(guī)模的推廣還有很大的困難。

（2）永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制。進入20世紀(jì)90年代，計算機技術(shù)在電機和電力電子技術(shù)中加以運用，使得電動機控制方法更加多樣和完善，出現(xiàn)了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法。主要通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩觀測值與參考值相比對，經(jīng)過兩個滯環(huán)比較器以后，利用產(chǎn)生的磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制信號，再結(jié)合定子磁鏈的位置，選取逆變器控制信號，實現(xiàn)對電壓空間矢量輸出的控制。確定了定子磁鏈的走向，達到對永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的目的。永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中利用定子磁鏈的定向替代了轉(zhuǎn)子磁鏈的定向，避免了電機中不易確定的參數(shù)對控制方式的干擾，同時省去了矢量控制中復(fù)雜的坐標(biāo)變換，在各類調(diào)速系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等重要產(chǎn)品中發(fā)揮了重要的作用。

5 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真測試

永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制實際應(yīng)用過程中，容易出現(xiàn)電機在運行中，隨著溫度、電流頻率、定子電阻的阻值等一系列數(shù)值發(fā)生變化，、會造成定子磁鏈的精度出現(xiàn)偏差。針對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制存在的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動較大的問題，利用仿真平臺建立了仿真模型，驗證了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制具有良好的控制效果。介紹了基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制，分析了參考空間電壓矢量的生成及PWM波調(diào)制的方法。根據(jù)實際轉(zhuǎn)矩和給定轉(zhuǎn)矩的偏差，提出了一種使用PIC控制器補償定子電阻變化的方法。仿真結(jié)果表明此方法能夠有效地減少轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，具有速度響應(yīng)快、抗干擾能力強，采取這種方法減小了磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，提高了系統(tǒng)對電機參數(shù)變化的魯棒性，徹底改善了控制系統(tǒng)的性能。

6 結(jié)語

近年來，我國的交流電機調(diào)速技術(shù)日益成熟起來，在伺服電機領(lǐng)域里，永磁同步電機定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好，隨其技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，它獨有的定子磁鏈定向，電機的磁鏈和直接轉(zhuǎn)矩操作控制系統(tǒng)，必將使伺服系統(tǒng)發(fā)展前途一片大好。目前，隨著科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，人們節(jié)電，環(huán)保意識的日益增強，永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)得以迅速的推廣，在我國的工業(yè)、國防軍事等控制系統(tǒng)中越來越顯得舉足輕重。

[1]徐道際.基于直接轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機擾動抑制的研究[J].合肥學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2015(04):93-96.

[2]苑偉華,潘峰,路瑤.基于滑模策略的直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J].電氣傳動,2015(08):9-13.

[3]劉華,關(guān)振宏.基于SVPWM的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究[J].變頻器世界,2011(10):76-78.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.147